浙江旗濱節(jié)能玻璃有限公司 董炳榮

1 引 言
中國在全球化經濟大潮中扮演著越來越重要的角色。然而， 中國也是能源消耗大國， 大最的能源消耗用于建筑中采暖、空調、家用電器等設備的工作，占社會總能耗的33%, 并且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢， 單位建筑面積能耗是發(fā)達國家的2- 3 倍以上。而門窗幕墻是建筑中最易發(fā)生能景交換的場所之一，大量能量通過窗戶流失 ，占 整個建筑能耗的50%左右。所以， 做好門窗幕墻的節(jié)能就是對建筑、乃至全球節(jié)能的重要貢獻。

窗戶節(jié)能的關鍵在千控制經過窗戶的能量交 換。一般來講， 通過窗用玻璃的熱 量交換方式有熱傳導、對流和熱輻射三種。熱傳導通過在玻璃構件 中填充具有低傳熱系數(shù)的介質氣體（如氫氣等 惰性氣體）來降低熱措傳導。對流通過對玻璃構件中的 氣體進行隔絕或密封處理，減少氣體流動，從 而降低對流傳熱。熱輻射主要依靠可見光和紅外線的輻射傳熱。

太陽能是地球上熱暈的主要來源，太陽熱能主要集中在250- 2500 nm 的波段上，分別在紫外波段250-380 nm占據(jù) 2%, 可見光波段 380- 780 nm占據(jù)47%, 紅外波段780- 2500 nm占據(jù)51%。Low- E 鎖膜玻璃是采用真空磁控濺射物理鎖膜的方法，在玻璃表面鎖制多層金屬或其他化合 物納米涂 層的深加工玻璃產品， 可以有效降 低玻璃表面輻射率至0.15 以下。Low- E 玻璃一般在可見光波段具有較高的透過率，在近紅外波段具有較低的透過率，在夏天可降低室內太陽能的攝入； 而Low- E 玻璃由于對4500-120000 nm 波段的中遠紅外具有很高的反射率，在冬天可以減少室內熱量的二次輻射造成的損耗。因此， 低輻射鎖膜玻璃具有很好的隔熱保溫效果，可實現(xiàn)“透光不透熱”的功能，達到“冬暖夏涼” 的效果。綜上所述，門 窗幕墻節(jié)能最經濟有效的方法是推廣使用 Low- E 鎖膜中空玻璃，提 高門窗幕墻的節(jié)能性能，降 低建筑的整體能耗。

2可鋼化Low-E 的重要性
從19 世紀在市場上最開始的應用的 陽光控制鎖膜玻璃， 到20 世紀初逐步引入和研發(fā)低輻射鎖膜玻璃，并從結構簡單的單銀Low- E 鎖膜玻璃，到節(jié)能性能更高的雙銀Low- E 鎖膜玻璃，再 到結構復雜、節(jié)能性能達到極致的 三銀 Low- E 鍛膜玻璃，鎖膜玻璃產品和技術在中國得到迅速發(fā)展。目前， 在國家宏觀節(jié)能政策的引導下， Low- E 鎖膜玻璃的用量仍然呈現(xiàn)增加趨勢。根據(jù)節(jié)能指標的要求 ， 住宅門窗一般單銀Low- E 鎖膜玻璃可滿足設計要求，而幕墻玻璃一般需要采用隔熱保溫性能更強的雙銀甚至三銀 Low- E 鎖膜玻璃。

在國內傳統(tǒng)的Low- E 鎖膜玻璃加工中，采用先鋼化后鎖膜的加工方式，最常用的生產工藝流程是原片一切割一磨邊一鋼化一鎖膜一中空一包裝。這種工藝的優(yōu)點是，可以避免鎖制在玻璃上的膜層在鋼化爐內經受高溫熱處理，使得膜層不受鋼化工藝的影響。此種方法生產的Low- E 玻璃鋼化平整度可控，成像良好，隔熱、遮陽等性能優(yōu)越，對產品顏色選擇性較多 。

但是由于傳統(tǒng) Low- E 玻璃膜層結構設計問題、材料特殊、環(huán)境適應能力差等多 種原因，Low- E 玻璃不能先鎖膜再進行鋼化或彎鋼化等熱加工處理。 因此，存在明顯的缺點，在產能方面，由于產品的 多樣化，無法發(fā)揮鎖膜生產的裝載率最大化，生產 效率較低，尤 形之中增加了加工成本。在補片方面，由于鋼化玻璃的特性，需要從原片開始重新經過整個生產流程 ， 交貨周期長， 產能浪費。在異地加工方面， 傳統(tǒng)的Low- E 玻璃屬千不可異地加工產品， 也無法推廣到汽車玻璃、需要平彎鋼化玻璃搭配的現(xiàn)在建筑，也 不能大面積推廣到民用建筑上 。傳統(tǒng)Low—E 玻璃存在以上種種弊端， 嚴重困擾著玻璃正常、高效的生產。

隨著鎖膜技術的發(fā)展和成熟， 可鋼化 Low- E玻璃得到關鍵技術突破， Low- E 膜層可經受 700 °C 的鋼化爐內的高溫熱處理，能夠滿足鎖膜后的切割、 磨邊、鋼化、彎鋼化、熱彎等的要求，從根本上解決了異地加工的難題 ?？射摶?Low- E雖然在顏色可選擇性， 隔熱、遮陽等性能方面無法與傳統(tǒng) Low- E 玻璃相比，但是大大縮短了產品的交貨周期以及提供 補片便利，擴大產品的輻射半徑，打通了原有企業(yè) 的產暈瓶頸， 有效提高了廠家的生產效率和效益， 使 得可鋼化 Low- E 玻璃成為未來市場的一個發(fā)展趨勢。

3可鋼化Low-E的發(fā)展及演變
可鋼化鎖膜玻 璃最初用于銀基膜系的鎖膜玻璃，第一次在650°C 的高溫下生產汽車擋風熱彎玻璃，光學性能良好、氧化程度不同的金屬氧化物層薄膜作為銀層保護層， 可避免在高溫下因氧分子擴散而導致銀層氧化，失去功能。后來，可鋼化鎖膜工藝技術逐漸被用千生產建筑玻璃，最初的理想目標是開發(fā)新型銀層保護層，在熱加工前后，鎖膜玻璃的顏色、性能基本保持不變。那么，同一款膜系的產品，在鋼化前后從外觀上沒有明顯的色差，對于鎖膜玻璃的生產、存儲和處理具有巨大的經濟效益。

可鋼單銀 Low- E 鎖膜玻璃的膜層結構為經典的“三明治 ”結構，以玻璃基地向外依次為底部介質層、阻擋層、紅外反射層 、阻擋層、頂層介質層 。底層介質層使用熱穩(wěn)定性能強且具有化學惰性的材 料， 防止玻璃本體硅酸鈉中的鈉離子( Na勹擴散遷移到膜層中，破壞功能銀( Ag )層的結構，并且能與玻璃基地牢牢結合，增加膜層與基底的結合力。一般采用S戊 ，SiOxNy’ SiOx’ TiOx 等。紅外反射層一般采用高純度 Ag 靶濺射制成，單銀 Low- E 膜層結構中Ag 層厚度在 5- 20 nm。金屬銀( Ag ) 是自然界中輻射率最低的材料之一，當平板玻璃鎖上一層以 銀為基礎的低輻射薄膜后，其輻射率可降至0.15 以下，可將太陽光過濾成冷光 源， 提高鎖膜玻璃的隔熱性能。但是，金屬銀( Ag )與金( Au )不同，對氧( 0 ) 和硫( s ) 具有化學活性，在空氣中逐步被氧化或者硫化， 逐漸失去低輻射性能。因此， 在紅外反射層兩側增加阻擋層，可防止 Ag 層被氧化。阻擋層使用結構致密且熱穩(wěn)定性較高的材料，致密的阻擋層結 合在紅外反射層（功能 Ag ) 兩側， 在熱加工工藝的高溫環(huán)境下阻擋氧分子 ( 02 ) 進入紅外反射層與 Ag反應， 保護Ag 層在熱加工工程中不被氧化或破壞。一般采用NiC r、Cr 、NiC rNx 、Ti、TiOx、Nb , NbOX 等。

對于可鋼 Low- E 來說， 最外面的頂層介質層必須同時具備機械性能強、硬度高、耐磨損、熱穩(wěn) 定性強等特性， 才能保護膜層結構免受外界破壞。一般采用SiNx 、SiOxNy 、S虹 、ZrOx 、石墨等 。其中，Si3凡材料作 為底層 介質層與頂層介質層， 與其他材料相比，具 有明顯的優(yōu)勢。況凡是一種化學惰性材料， 氮和硅均是電負性較強的元索，使 得Si3凡是一種強極性共價化合物，熔點高，分解溫度超過1900飛 線膨脹系數(shù)極小，具 有良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性性，可提高膜層加工過程中的穩(wěn)定性，完 全能經受住鋼化爐700°C 的高溫，是薄膜材料中為數(shù)不多的耐高溫材料之一。另外， Si3凡的超硬材料， 莫 氏硬度已經達到了 9 以上，僅次于金剛石的硬度 10, 可以充分地保護可鋼 Low- E 玻璃異地加工或存儲時不被外力劃傷 、品曾傷。因此，可鋼單銀Low- E 的經典膜系結構之一為： 玻璃 /SiNJ NiCr/Ag/NiCr/S諷 。此種膜結構的可鋼單銀 Low- E 玻璃一般為中低透膜 系， 可見光透過率很難突破 70% , 因此， 在介質層中引入致密氧化物層 ， 例如 AZO 、ZnOx, ZnSnO, 、T心 等， 減薄金屬阻擋層的厚度， 提高透過率， 可鋼單銀 Low- E 透過率甚至可達到80% 以上。

目前， 市場上可鋼單銀Low- E 產品巳較為成熟，性能穩(wěn)定，推廣和使用最為成功。但是由千5 層膜層結構，膜層設計和膜層調節(jié)空間不大，也存在層材料也與單銀Low- E 類似，但是考慮鎖膜玻璃的顏色單一，可選擇性較少的間題。更主要的原因是， 整體透過率 ，單 層阻擋層的厚度減薄。而整體膜層單銀Low- E 無法滿足逐步提高的節(jié)能指標要求。為 結構更復雜， 這使得可鋼雙銀Low- E 對千膜層設了獲得更好的輻射率，可增加 Ag 層的厚度，但是當 計要求更高， 對磁控濺射鎖膜線的生產狀態(tài)要求更Ag 層超過一定厚度時，納米 Ag 層轉變?yōu)閴K狀材料 高，也 導致在熱加工過程中，鋼化工藝的控制要求的性能，即使繼續(xù)增加Ag 的厚度，節(jié)能性能也無法更高。
繼續(xù)增加。經過長時間的研究和探討，把Ag 層用一些折射率較好的材料分開， 形成兩層 Ag 的對稱結構，也就是雙銀Low- E 結構，效 果更佳。這不但大幅提升了 Low- E 鎖膜玻璃的節(jié)能效果， 輻射率也可從 0.15 降至0.05, 對于太陽輻射的選擇效應更高、性能更加優(yōu)越，同時可見光透過率仍可滿足室內采光的需要，使 得雙銀 Low- E 鎖膜玻璃逐步受到市場歡迎。隨著磁控濺射鎖膜技術的發(fā)展和鎖膜工藝的突破， 雙銀Low- E 鎖膜玻璃制造成本持續(xù)降低，并且不斷有可鋼化雙銀Low- E 鎖膜玻璃產品的面世，

引 領了全球汽車和建筑用玻璃的新潮流。

圖1 單銀 Low-E 踱膜玻璃的膜層結構

可鋼雙銀Low- E 的膜層結構是在單銀Low- E 膜層結構的基礎上，增加了一套以銀為基礎的薄膜 結構，以玻璃基地向外依次為底部介質層、阻擋層、紅外反射層、阻擋層 、中間介質層、阻擋層、紅外反射層、阻擋層、頂層介質層。其中，底層介質層 、頂層介質層材料與單銀Low- E 類似。而中間介質層材料的選擇性更豐富，一般有SiNx、TiOx、ZnOx、SnO, x ZnAlOx 、AZO 、ZnSnO x、NbOX 、A隊 或者由多種復合材料構成，其主要作用是提高膜層之間的附著力， 對功能材料起黏結作用，同時，中間介質層對千鎖 膜玻璃顏色影響較大，合理設計，可設計出室內室 外顏色清透的雙銀 Low- E 產品。

圖 2 雙銀 Low-E踱膜玻璃的膜層結構

4可鋼化Low-E 的加工工藝
玻璃鋼化時需加熱到700 °C 左 右進行熱處理。為防止Low- E 鍛膜玻璃出現(xiàn)鎖膜面劃傷， 鋼化時必須鎖膜面朝上。但由千 Low- E 鎖膜玻璃具有很 強的抗紅外輻射的特性，鎖膜玻璃的兩個表面性 質不同，導致朝下的玻面熱輻射反射率為 11%左右， 朝上的鎖膜面熱輻射反射率在85% 以上。因此，Low- E 鎖膜玻璃在鋼化爐內受熱時， 上下兩個 面受熱不均勻，易 造成板面彎曲，爐內翹曲。實際鋼化加熱過程中通常采用以下方式使上下表面的受熱均勻：心通過上部強制 對流， 補償熱傳導，使上下兩面的溫度一致；＠通過提高上部設 定溫度來強化對流傳熱的作用，將更多的熱量傳遞到玻璃 的上表面； ＠ 降低下部傳熱速率，適當降低下部設定溫度；＠延長加熱時間。為了提高低輻射鎖膜的 加熱效率，同時避免溫度過高出現(xiàn)膜層氧化，下表 面與陶瓷輻道直接接觸傳導加熱，強化對流乃至強 制對流加熱，應適當降低下表面溫度，延長加熱時 間，提高成品率。根據(jù)經驗 ， 在加熱時間的控制上低輻射鎖膜玻璃要比相同厚度的不鎖膜玻璃增加30%- 40% 為宜。
Low- E 鎖膜玻璃在生產過程中， 金屬 Ag 靶濺射到阻擋層( NiCr ) 上，Ag 原子吸附到NiCr層， 在表面擴散、遷移、相互碰撞結合成原子對或原子團， 逐步長大形成穩(wěn)定晶核，并且再捕獲其他原子團或 者與入射原子結合進一步長大形成許多小島，再由 島合并網(wǎng)狀連接，最終成膜，也就是常見的＂島狀 生長模式” 或者”混合生長模式＂。因此， 磁控濺射鎖制的Low- E 膜層表面粗糙，膜層疏松。

圖3 核形成與生長的物理過程

這種Low- E 膜層結構， 在鋼化高溫加熱環(huán)境中，依 據(jù)奧斯瓦爾德( Ostward ) 生長機理， 納米 Ag 晶粒表面自由能大，在高溫下活化，Ag 原子的擴散加劇， 自發(fā)地遷移和融合， 進一步長大。并在高溫作用下，晶格缺陷、晶界、位錯等缺陷減少，Ag 層結構變得均勻、光滑，導 致膜層對光的散射降低， 透過率增加。不僅僅針對 Ag 層，其 他介質層、阻擋層在鋼化加熱過程中也發(fā)生類似的生長反應。除此 之外，鋼化高溫下，玻璃基體中的鈉離子會進入底 部介質層， 可阻擋鈉離子進入 Ag 層，破壞Ag 層?？諝庵械牟糠盅醴肿哟┩疙攲咏橘|層與阻擋層反應， NiC r被氧化成NiCrOx, 從而Ag 層不被氧化。
由千在鋼化過程中，膜層微觀結構的變化，不可避免地導致鋼化前后 Low- E 玻璃的性能變化。Low- E 膜層熱加工納米晶粒長大，膜層結構光滑致密，對可見光的散射減小，鋼化后可見光透過率顯著升高。單銀Low- E 可見光透過率增大 2%- 5% , 而雙銀 Low- E 可見光透過率增大6%- 9% , 這是由千雙銀Low- E 比單銀Low- E 多 5 層膜結構，膜層結構更為復雜， 熱處理對雙銀 Low- E 的光學性能影響更大。同樣， 鋼化前后Low- E 玻璃的顏色( L* 、a*、b* )也不一致，并 且不同膜系具有各自的變化趨勢， 沒有明顯的變化規(guī)律。一般來說， 單銀Low- E 變化較小，鋼化前后 Ll a* 和 Ll b* 偏差小于1.5; 而雙銀Low- E 變化幅度非常大， 鋼化前后 Ll a* 和 Ll b* 偏差在2 以上。而Low- E 玻璃的節(jié)能性能在鋼化前后也會出現(xiàn)輕微變化， 單銀 Low- E 的半球輻射率降低0.02左右，雙銀Low- E 的半球輻射率降低0.01左右，這也說明， 在一定程度內， 鋼化熱處理可以提高Low- E 玻璃保溫隔熱性能。

1 奧斯瓦爾德熟化； 2 原子遷移和融合；
3. 原子長大及晶格缺陷減少
圖 4 島狀核心的長大機制

雖然可鋼玻璃 Low- E 得到了快速發(fā) 展和推廣， 但是對于12 mm 以上的厚板鋼化及彎鋼化仍然存在較大困難。這一方面是由于鋼化玻璃厚度越厚，鋼 化時間越長， Low- E 膜層的耐熱 加工要求更嚴苛； 另一方面是由于在玻璃出鋼化爐進行彎弧過程中 ， 玻璃表面的張力變化對膜層具有較大破壞性。因此， 可鋼玻璃 Low- E的膜層新材料的開發(fā)、新結構的設計以及鋼化工藝的改良仍然有很大的研究空間。

5可鋼化三銀Low-E 的開發(fā)
隨著節(jié)能指標的進一步提升， 為了追求玻璃極致的隔熱保溫效果， 三銀Low- E 玻璃應運而生 ， 最優(yōu)異的三銀Low- E 玻璃可屏蔽紅外輻射99% 以上， 并在國內已有成功案例。但是，目 前 的三銀Low- E玻璃基本采用先鋼化后鎖膜的生產工藝。面對平彎搭配的現(xiàn)代建筑，退而求其次， 平鋼采用三銀 Low- E , 彎鋼采用可鋼雙銀 Low- E 或者可鋼單銀Low- E, 無法達到建筑物整體顏色一致的完美效果。因此， 面對這類高端需求，公 司最新研究和開發(fā)可鋼三銀Low- E 玻璃，采用 13 層膜結構， 膜層結構以玻璃基地向外依次為底部介質層、阻擋層、紅外反射層、阻擋層、中間介質層、阻擋層 紅外反射層、阻擋層、間介質層、阻擋層、紅外反射層、阻擋層、頂層介質層。三層紅外反射Ag 層確保輻射率降低至0.1- 0.2 , 最大限度降低紅外輻射透過 率。兩層中間介質層給予了更大的膜層結構設計空間和更多的Low—E 玻璃的外觀顏色選擇性。鋼化熱處 理后， 外觀觀察中性灰色調，顏色一致性良好， 并已應用于實際項目案例中。隨著磁控濺射鎖膜技術的發(fā)展和突破， 可鋼三銀Low- E 也會廣泛應用于民用建筑，成為市場的主流產品。

6結語
隨著國家有關節(jié)能環(huán)保政策的出臺， 節(jié)能產品的市場逐步擴大， Low- E 玻璃的需求量越來越大?？射?Low- E 和不可鋼 Low—E 代表兩種不同的加工工藝， 各有優(yōu)缺點，形成互補， 在市場上的各自定位逐漸清晰 。但是，隨 著市場的成熟與建筑玻璃的標準化， 機械化、自動化、智能化成為未來玻璃深加工發(fā)展的趨勢。可鋼 Low- E 生產效率高， 產能大，可進行彎鋼化或熱彎處理 ，可進行異地加 工等優(yōu)勢， 在未來工業(yè)化大生產的市場競爭中的優(yōu)勢會進一步體現(xiàn)。并且隨著建筑節(jié)能指標一年比一年嚴格，可鋼單銀 Low- E 也正在逐步向可鋼雙銀、可鋼三銀發(fā)展。因此可以預見，未來的市場會涌現(xiàn)越來越多的使用高端可鋼Low- E 玻璃的建筑。